Ingeniører bygger avanceret mikroprocessor ud af carbon nanorør

Efter mange års tackling af mange design- og fremstillingsudfordringer, MIT -forskere har bygget en moderne mikroprocessor af carbon nanorørstransistorer, der i vid udstrækning ses som en hurtigere, grønnere alternativ til deres traditionelle silicium -modstykker.

Mikroprocessoren, beskrevet i dag i journalen Natur , kan bygges ved hjælp af traditionelle silicium-chip fremstillingsprocesser, repræsenterer et stort skridt i retning af at gøre carbon nanorør -mikroprocessorer mere praktiske.

Siliciumtransistorer - kritiske mikroprocessorkomponenter, der skifter mellem 1 og 0 bit for at udføre beregninger - har båret computerindustrien i årtier. Som forudsagt af Moores lov, industrien har været i stand til at skrumpe ned og proppe flere transistorer på chips hvert par år for at hjælpe med at udføre stadig mere komplekse beregninger. Men eksperter forudser nu en tid, hvor siliciumtransistorer vil stoppe med at skrumpe, og bliver mere og mere ineffektive.

At lave carbon-nanorørfelt-effekt-transistorer (CNFET) er blevet et stort mål for at bygge næste generations computere. Forskning viser, at CNFET'er har egenskaber, der lover omkring 10 gange energieffektiviteten og langt større hastigheder i forhold til silicium. Men når den er fremstillet i stor skala, transistorerne har ofte mange defekter, der påvirker ydeevnen, så de forbliver upraktiske.

MIT -forskerne har opfundet nye teknikker til dramatisk at begrænse defekter og muliggøre fuld funktionel kontrol ved fremstilling af CNFET'er, ved hjælp af processer i traditionelle siliciumchip støberier. De demonstrerede en 16-bit mikroprocessor med mere end 14, 000 CNFET'er, der udfører de samme opgaver som kommercielle mikroprocessorer. Nature -papiret beskriver mikroprocessorens design og indeholder mere end 70 sider, der beskriver fremstillingsmetoden.

Mikroprocessoren er baseret på RISC-V open-source chip-arkitekturen, der har et sæt instruktioner, som en mikroprocessor kan udføre. Forskernes mikroprocessor var i stand til at udføre det fulde sæt af instruktioner nøjagtigt. Det udførte også en modificeret version af den klassiske "Hej, Verden! "-Program, udskriver, "Hej, Verden! Jeg er RV16XNano, lavet af CNT'er. "

"Dette er langt den mest avancerede chip fremstillet af enhver ny nanoteknologi, der er lovende for højtydende og energieffektiv computing, "siger medforfatter Max M. Shulaker, Emanuel E Landsman Karriereudviklingsassistent i elektroteknik og datalogi (EECS) og medlem af Microsystems Technology Laboratories. "Der er grænser for silicium. Hvis vi vil fortsat have gevinster inden for computing, carbon nanorør repræsenterer en af ​​de mest lovende måder at overvinde disse grænser på. [Papiret] genopfinder helt, hvordan vi bygger chips med carbon-nanorør. "

Tilslutter sig Shulaker på papiret er:første forfatter og postdoc Gage Hills, kandidatstuderende Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho, og Aya Amer, alle EECS; Arvind, Johnson -professoren i datalogi og ingeniørvidenskab og en forsker i datalogi og kunstig intelligenslaboratorium; Anantha Chandrakasan, dekan for Ingeniørhøjskolen og Vannevar Bush -professor i elektroteknik og datalogi; og Samuel Fuller, Yosi Stein, og Denis Murphy, alle analoge enheder.

Bekæmpelse af "bane" af CNFET'er

Mikroprocessoren bygger på en tidligere iteration designet af Shulaker og andre forskere for seks år siden, der kun havde 178 CNFET'er og kørte på en enkelt bit data. Siden da, Shulaker og hans MIT -kolleger har tacklet tre specifikke udfordringer med at producere enhederne:materialefejl, produktionsfejl, og funktionelle spørgsmål. Hills lavede hovedparten af ​​mikroprocessoren design, mens Lau håndterede det meste af fremstillingen.

Årevis, de defekter, der er iboende for carbon nanorør, har været en "banebane for feltet, "Siger Shulaker. Ideelt set, CNFET'er har brug for halvledende egenskaber for at slukke deres ledningsevne, svarende til bit 1 og 0. Men uundgåeligt, en lille del af carbon nanorør vil være metalliske, og vil bremse eller stoppe transistoren fra at skifte. For at være robust over for disse fejl, avancerede kredsløb har brug for carbon nanorør ved omkring 99,9999999 procent renhed, hvilket er næsten umuligt at producere i dag.

Forskerne kom med en teknik kaldet DREAM (et akronym for "design resiliency against metallic CNTs"), som placerer metalliske CNFET'er på en måde, så de ikke forstyrrer computing. Derved, de lempet dette strenge renhedskrav med omkring fire størrelsesordener - eller 10, 000 gange - hvilket betyder, at de kun har brug for carbon nanorør med en renhed på cirka 99,99 procent, hvilket i øjeblikket er muligt.

Design af kredsløb kræver dybest set et bibliotek med forskellige logiske porte, der er knyttet til transistorer, der kan kombineres til, sige, opret tilføjere og multiplikatorer - som at kombinere bogstaver i alfabetet for at oprette ord. Forskerne indså, at de metalliske carbon -nanorør påvirkede forskellige parringer af disse porte forskelligt. Et enkelt metallisk carbon nanorør i port A, for eksempel, kan bryde forbindelsen mellem A og B. Men flere metalliske carbon -nanorør i porte B påvirker muligvis ikke nogen af ​​dets forbindelser.

I chipdesign, der er mange måder at implementere kode på et kredsløb. Forskerne kørte simuleringer for at finde alle de forskellige portkombinationer, der ville være robuste og ikke ville være robuste over for metalliske carbon -nanorør. De tilpassede derefter et chip-design program til automatisk at lære de kombinationer, der mindst sandsynligt vil blive påvirket af metalliske carbon nanorør. Når du designer en ny chip, programmet vil kun udnytte de robuste kombinationer og ignorere de sårbare kombinationer.

"DREAM' -ordspillet er meget tiltænkt, fordi det er drømmeløsningen, "Shulaker siger." Dette giver os mulighed for at købe carbon nanorør fra hylden, drop dem på en wafer, og bare opbygge vores kredsløb som normalt, uden at gøre noget særligt. "

Peeling og tuning

CNFET -fabrikation starter med at deponere carbon nanorør i en opløsning på en wafer med foruddesignede transistorarkitekturer. Imidlertid, nogle kulstofnanorør hænger uundgåeligt tilfældigt sammen for at danne store bundter - som spaghetti -tråde dannet til små kugler - der danner stor partikelforurening på chippen.

For at rense forureningen, forskerne skabte RINSE (til "fjernelse af inkuberede nanorør gennem selektiv eksfoliering"). Skiven bliver forbehandlet med et middel, der fremmer carbon nanorørvedhæftning. Derefter, waferen er overtrukket med en bestemt polymer og dyppet i et specielt opløsningsmiddel. Det skyller polymeren væk, som kun bærer de store bundter væk, mens de enkelte carbon nanorør forbliver fast på skiven. Teknikken fører til omkring en 250 gange reduktion i partikeltæthed på chippen sammenlignet med lignende metoder.

Endelig, forskerne tacklede almindelige funktionelle problemer med CNFET'er. Binær computing kræver to typer transistorer:"N" -typer, som tændes med en 1 bit og slukkes med en 0 bit, og "P" typer, som gør det modsatte. Traditionelt set det har været en udfordring at lave de to typer ud af carbon nanorør, giver ofte transistorer, der varierer i ydelse. Til denne løsning, forskerne udviklede en teknik kaldet MIXED (til "metal interface engineering crossed with elektrostatic doping"), som præcist indstiller transistorer til funktion og optimering.

I denne teknik, de fastgør visse metaller til hver transistor - platin eller titanium - som gør det muligt for dem at reparere transistoren som P eller N. Derefter, de dækker CNFET'erne i en oxidforbindelse gennem atomlagsaflejring, hvilket giver dem mulighed for at indstille transistorernes egenskaber til specifikke applikationer. Servere, for eksempel, kræver ofte transistorer, der virker meget hurtigt, men bruger energi og strøm. Bærbare og medicinske implantater, på den anden side, kan bruge langsommere, laveffekttransistorer.

Hovedmålet er at få chipsene ud i den virkelige verden. Til det formål, forskerne er nu begyndt at implementere deres fremstillingsteknikker i et siliciumchip -støberi gennem et program af Defense Advanced Research Projects Agency, som støttede forskningen. Selvom ingen kan sige, hvornår chips fremstillet udelukkende af carbon nanorør kommer på hylderne, Shulaker siger, at det kan være færre end fem år. ”Vi tror, ​​at det ikke længere er et spørgsmål om, hvis men når, " han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.